JP7328750B2 - 電源装置 - Google Patents

電源装置 Download PDF

Info

Publication number
JP7328750B2
JP7328750B2 JP2018204649A JP2018204649A JP7328750B2 JP 7328750 B2 JP7328750 B2 JP 7328750B2 JP 2018204649 A JP2018204649 A JP 2018204649A JP 2018204649 A JP2018204649 A JP 2018204649A JP 7328750 B2 JP7328750 B2 JP 7328750B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
battery module
power supply
gate drive
drive signal
battery
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2018204649A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2020072548A (ja
Inventor
直樹 柳沢
修二 戸村
恭佑 種村
一雄 大塚
成晶 後藤
純太 泉
健治 木村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp, Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2018204649A priority Critical patent/JP7328750B2/ja
Priority to US16/655,021 priority patent/US11476688B2/en
Priority to KR1020190128943A priority patent/KR102318121B1/ko
Priority to EP19203796.8A priority patent/EP3648289B1/en
Priority to CN201911003108.5A priority patent/CN111130165B/zh
Publication of JP2020072548A publication Critical patent/JP2020072548A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7328750B2 publication Critical patent/JP7328750B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0016Circuits for equalisation of charge between batteries using shunting, discharge or bypass circuits
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0063Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with circuits adapted for supplying loads from the battery
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0019Circuits for equalisation of charge between batteries using switched or multiplexed charge circuits
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44Methods for charging or discharging
    • H01M10/441Methods for charging or discharging for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/502Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
    • H01M50/509Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing characterised by the type of connection, e.g. mixed connections
    • H01M50/51Connection only in series
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/528Fixed electrical connections, i.e. not intended for disconnection
    • H01M50/529Intercell connections through partitions, e.g. in a battery casing
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0024Parallel/serial switching of connection of batteries to charge or load circuit
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0025Sequential battery discharge in systems with a plurality of batteries
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/0031Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits using battery or load disconnect circuits
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/0036Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits using connection detecting circuits
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0042Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries characterised by the mechanical construction
    • H02J7/0045Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries characterised by the mechanical construction concerning the insertion or the connection of the batteries
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0068Battery or charger load switching, e.g. concurrent charging and load supply
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2200/00Safety devices for primary or secondary batteries
    • H01M2200/10Temperature sensitive devices
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Protection Of Static Devices (AREA)
  • Battery Mounting, Suspending (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Description

本発明は、電池モジュールを直列接続して電力を供給する電源装置に関する。
複数の電池モジュールを直列に接続して、負荷に電力を供給(力行)する電源装置が利用されている。電池モジュールに含まれる電池を二次電池とした場合、負荷側から電池へ充電(回生)を行うこともできる。
このような電源装置において、ゲート駆動信号に基づいて各電池モジュールを負荷に接続したり、切り離したりするスイッチング回路を備えた構成が提案されている。このような回路構成において、遅延回路を介したゲート駆動信号で各電池モジュールのスイッチング回路を駆動させることで電圧制御を行っている(特許文献1)。
特開2018-074709号公報
しかしながら、従来の電源装置では、直列接続される電池モジュールの各々に流れる電流は同じになるので、電池モジュールの性能にばらつきがある状況において電池容量が小さい電池モジュールのSOCが他の電池モジュールのSOCより早く低下してしまうという問題がある。また、電池モジュールのSOCが下限閾値に到達すると、その電池モジュールは使用することができなくなるという問題がある。さらに、使用できなくなった電池モジュールの数が増加すると電源装置自体を停止させなければならない状況になることがあった。
本発明の1つの態様は、二次電池を有する電池モジュールを複数含み、制御コントローラからのゲート駆動信号に応じて前記電池モジュールが相互に直列接続される電源装置であって、前記ゲート駆動信号に関わらず前記電池モジュールを前記直列接続から強制的に切り離す切断手段を備え、出力目標電圧値に応じて前記切断手段によって強制的に切り離される前記電池モジュールの個数を制限することを特徴とする電源装置である。
ここで、前記切断手段によって強制的に切り離される前記電池モジュールの個数に応じて、前記出力目標電圧値以上の出力電圧を出力できない場合に出力を停止させることが好適である。
本発明の別の態様は、二次電池を有する電池モジュールを複数含み、制御コントローラからのゲート駆動信号に応じて前記電池モジュールが相互に直列接続される電源装置であって、前記ゲート駆動信号に関わらず前記電池モジュールを前記直列接続から強制的に切り離す切断手段を備え、前記切断手段によって強制的に切り離される前記電池モジュールの個数に応じて出力電圧値を制限することを特徴とする電源装置である。
本発明によれば、ゲート駆動信号による制御に対して独立して電池モジュールを強制的に切り離す制御を行うことによって電池モジュールのSOCを調整することができる。また、その際に切り離される電池モジュールの数を適切に制御することができる。
本発明の実施の形態における電源装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態における電池モジュールの制御を説明するタイムチャートである。 本発明の実施の形態における電池モジュールの作用を示す図である。 本発明の実施の形態における電源装置の制御を説明するタイムチャートである。 本発明の実施の形態における力行状態における強制切断制御のフローチャートである。 本発明の実施の形態における回生状態における強制切断制御のフローチャートである。 本発明の実施の形態におけるSOCの推定方法のフローチャートである。 電池モジュールの特性を示す図である。
本実施の形態における電源装置100は、図1に示すように、電池モジュール102及び制御コントローラ104を含んで構成される。電源装置100は、複数の電池モジュール102(102a,102b,・・・102n)を含んで構成される。複数の電池モジュール102は、制御コントローラ104による制御によって互いに直列に接続可能である。電源装置100に含まれる複数の電池モジュール102は、端子T1及びT2に接続される負荷(図示しない)に対して電力を供給(力行)し、又は、端子T1及びT2に接続される電源(図示しない)から電力を充電(回生)することができる。
電池モジュール102は、電池10、チョークコイル12、コンデンサ14、第1スイッチ素子16、第2スイッチ素子18、ゲート駆動信号処理回路20、AND素子22、OR素子24及びNOT素子26を含んで構成される。本実施の形態において、各電池モジュール102は同一の構成を備える。
電池10は、少なくとも1つの二次電池を含む。電池10は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等を複数直列又は/及び並列接続した構成とすることができる。チョークコイル12及びコンデンサ14は、電池10からの出力を平滑化して出力する平滑回路(ローパスフィルタ回路)を構成する。すなわち、電池10として二次電池を使用しているので、内部抵抗損失の増加による電池10の劣化を抑制するため、電池10、チョークコイル12及びコンデンサ14によってRLCフィルタを形成して電流の平準化を図っている。なお、チョークコイル12及びコンデンサ14は、必須の構成ではなく、これらを設けなくてもよい。
第1スイッチ素子16は、電池10の出力端を短絡するためのスイッチング素子を含む。本実施の形態では、第1スイッチ素子16は、スイッチング素子である電界効果トランジスタに対して並列に環流ダイオードを接続した構成としている。第2スイッチ素子18は、電池10と第1スイッチ素子16との間において電池10に直列接続される。本実施の形態では、第2スイッチ素子18は、スイッチング素子である電界効果トランジスタに対して並列に環流ダイオードを接続した構成としている。第1スイッチ素子16及び第2スイッチ素子18は、制御コントローラ104からのゲート駆動信号によってスイッチング制御される。なお、本実施の形態では、第1スイッチ素子16及び第2スイッチ素子18は、電界効果トランジスタとしたが、これ以外のスイッチング素子を適用してもよい。
ゲート駆動信号処理回路20は、制御コントローラ104の信号生成回路104aから電池モジュール102に入力されるゲート駆動信号に基づいて電池モジュール102を制御する回路である。ゲート駆動信号処理回路20は、ゲート駆動信号を所定の時間だけ遅延させる遅延回路を含む。電源装置100では、各電池モジュール102(102a,102b,・・・102n)にそれぞれゲート駆動信号処理回路20が設けられており、それらが直列接続されている。したがって、制御コントローラ104から入力されたゲート駆動信号は所定の時間ずつ遅延させられながら各電池モジュール102(102a,102b,・・・102n)に順次入力されることになる。ゲート駆動信号に基づく制御については後述する。
AND素子22は、強制切断信号に応じて電池モジュール102aを直列接続状態から強制的に切り離す切断手段を構成する。また、OR素子24は、強制接続信号に応じて電池モジュール102aを直列接続状態に強制的に接続する接続手段を構成する。AND素子22及びOR素子24は、制御コントローラ104から強制切断信号又は強制接続信号を受けたゲート駆動信号処理回路20によって制御される。AND素子22の一方の入力端子にはゲート駆動信号処理回路20からの制御信号が入力され、他方の入力端子にはゲート駆動信号処理回路20からのゲート駆動信号が入力される。また、OR素子24の一方の入力端子にはゲート駆動信号処理回路20からの制御信号が入力され、他方の入力端子にはゲート駆動信号処理回路20からのゲート駆動信号が入力される。AND素子22及びOR素子24からの出力信号は、第2スイッチ素子18のゲート端子に入力される。また、AND素子22及びOR素子24からの出力信号は、NOT素子26を介して第1スイッチ素子16のゲート端子に入力される。
通常制御時において、制御コントローラ104から強制切断信号又は強制接続信号を受けていないゲート駆動信号処理回路20は、AND素子22に対してハイ(H)レベルの制御信号を入力し、OR素子24に対してロー(L)レベルの制御信号を入力する。したがって、ゲート駆動信号がそのまま第2スイッチ素子18のゲート端子に入力され、ゲート駆動信号を反転した信号が第1スイッチ素子16のゲート端子に入力される。これによって、ゲート駆動信号がハイ(H)レベルのときに第1スイッチ素子16がオフ状態及び第2スイッチ素子18がオン状態となり、ゲート駆動信号がロー(L)レベルのときに第1スイッチ素子16がオン状態及び第2スイッチ素子18がオフ状態となる。すなわち、ゲート駆動信号がハイ(H)レベルのときに電池モジュール102は他の電池モジュール102と直列に接続された状態となり、ゲート駆動信号がロー(L)レベルのときに電池モジュール102は他の電池モジュール102と切り離されたスルー状態となる。
強制切断時においては、制御コントローラ104は強制的に切り離す対象となる電池モジュール102のゲート駆動信号処理回路20に対して強制切断信号を送信する。制御コントローラ104から強制切断信号を受けとったゲート駆動信号処理回路20は、AND素子22に対してロー(L)レベルの制御信号を入力し、OR素子24に対してロー(L)レベルの制御信号を入力する。これによって、AND素子22からはロー(L)レベルが出力され、OR素子24を介して、第1スイッチ素子16のゲート端子にはNOT素子26によってハイ(H)レベルが入力され、第2スイッチ素子18のゲート端子にはロー(L)レベルが入力される。したがって、第1スイッチ素子16は常時オン状態となり、第2スイッチ素子18は常時オフ状態とされ、電池モジュール102はゲート駆動信号の状態によらず直列接続から強制的に切り離された状態(パススルー状態)となる。
このような強制切断制御は、電源装置100における電池モジュール102のSOCのアンバランスを抑制する制御や電池モジュール故障時の切り離しに利用することができる。すなわち、電源装置100が放電状態にある場合、電源装置100の出力に関与している電池モジュール102のSOCが低下するのに対して、電池モジュール102を強制切断状態とすることによって当該電池モジュール102のSOCを維持することができる。また、電源装置100が充電状態にある場合、電源装置100の充電に関与している電池モジュール102のSOCが増加するのに対して、電池モジュール102を強制切断状態とすることによって当該電池モジュール102のSOCを維持することができる。
強制接続時には、制御コントローラ104は強制的に接続する対象となる電池モジュール102のゲート駆動信号処理回路20に対して強制接続信号を送信する。制御コントローラ104から強制接続信号を受けとったゲート駆動信号処理回路20は、電池モジュール102のOR素子24にハイ(H)レベルの制御信号を入力する。これによって、OR素子24からはハイ(H)レベルが出力され、第1スイッチ素子16のゲート端子にはNOT素子26によってロー(L)レベルが入力され、第2スイッチ素子18のゲート端子にはハイ(H)レベルが入力される。したがって、第1スイッチ素子16は常時オフ状態となり、第2スイッチ素子18は常時オン状態とされ、電池モジュール102はゲート駆動信号の状態によらず強制的に直列接続に繋がれた状態となる。
このような強制接続制御は、電源装置100における電池モジュール102のSOCのアンバランスを抑制する制御に利用することができる。すなわち、電源装置100が放電状態にある場合、ゲート駆動信号に応じて断続的に直列接続される電池モジュール102のSOCの低下に対して、強制接続状態にされた電池モジュール102のSOCをより早く低下させることができる。また、電源装置100が充電状態にある場合、ゲート駆動信号に応じて断続的に直列接続される電池モジュール102のSOCの増加に対して、強制接続状態にされた電池モジュール102のSOCをより早く増加させることができる。
なお、本実施の形態における電源装置100では、ゲート駆動信号処理回路20によってAND素子22及びOR素子24を制御する構成としたが、制御コントローラ104からAND素子22及びOR素子24のいずれか又は両方を直接制御する構成としてもよい。
[通常制御]
以下、電源装置100の制御について図2を参照して説明する。通常制御時において、各電池モジュール102(102a,102b,・・・102n)のAND素子22に対してゲート駆動信号処理回路20からハイ(H)レベルの制御信号が入力される。また、各電池モジュール102(102a,102b,・・・102n)のOR素子24に対してゲート駆動信号処理回路20からロー(L)レベルの制御信号が入力される。したがって、第1スイッチ素子16のゲート端子にはゲート駆動信号処理回路20からの出力信号がNOT素子26を介して反転信号として入力され、第2スイッチ素子18のゲート端子にはゲート駆動信号処理回路20からの出力信号がそのまま入力される。
図2は、電池モジュール102aの動作に関するタイムチャートを示す。また、図2では、電池モジュール102aを駆動するゲート駆動信号D1のパルス波形、第1スイッチ素子16のスイッチング状態を示す矩形波D2、第2スイッチ素子18のスイッチング状態を示す矩形波D3、及び、電池モジュール102aにより出力される電圧Vmodの波形D4を示している。
電池モジュール102aの初期状態、すなわち、ゲート駆動信号が出力されていない状態では、第1スイッチ素子16はオン状態、第2スイッチ素子18はオフ状態である。そして、制御コントローラ104からゲート駆動信号が電池モジュール102aに入力されると、電池モジュール102aはPWM制御によってスイッチング制御される。このスイッチング制御では、第1スイッチ素子16と第2スイッチ素子18とが交互にオン状態/オフ状態にスイッチングされる。
図2に示すように、制御コントローラ104からゲート駆動信号D1が出力されると、このゲート駆動信号D1に応じて、電池モジュール102aの第1スイッチ素子16及び第2スイッチ素子18が駆動される。第1スイッチ素子16は、ゲート駆動信号D1の立ち上がりに応じたNOT素子26からの信号の立ち下がりによって、オン状態からオフ状態に切り替わる。また、第1スイッチ素子16は、ゲート駆動信号D1の立ち下がりから僅かな時間(デッドタイムdt)遅れて、オフ状態からオン状態に切り替わる。
一方、第2スイッチ素子18は、ゲート駆動信号D1の立ち上がりから僅かな時間(デッドタイムdt)遅れて、オフ状態からオン状態に切り替わる。また、第2スイッチ素子18は、ゲート駆動信号D1の立ち下がりと同時に、オン状態からオフ状態に切り替わる。このように、第1スイッチ素子16と第2スイッチ素子18とは交互にオン状態/オフ状態が切り替わるようにスイッチング制御される。
なお、第1スイッチ素子16がゲート駆動信号D1の立ち下がり時に僅かな時間(デッドタイムdt)遅れて動作することと、第2スイッチ素子18がゲート駆動信号D1の立ち上がり時に僅かな時間(デッドタイムdt)遅れて動作することは、第1スイッチ素子16と第2スイッチ素子18とが同時に動作することを防止するためである。すなわち、第1スイッチ素子16と第2スイッチ素子18とが同時にオンして電池が短絡することを防止している。この動作を遅らせているデッドタイムdtは、例えば、100nsに設定しているが、適宜設定することができる。なお、デッドタイムdt中はダイオードを還流し、その還流したダイオードと並列にあるスイッチング素子がオンしたときと同じ状態になる。
このような制御によって、電池モジュール102aは、ゲート駆動信号D1がオフ時(すなわち、第1スイッチ素子16がオン、第2スイッチ素子18がオフ)では、コンデンサ14が電池モジュール102aの出力端子から切り離される。したがって、出力端子には電池モジュール102aから電圧が出力されない。この状態では、図3(a)に示すように、電池モジュール102aの電池10(コンデンサ14)がバイパスされたスルー状態となっている。
また、ゲート駆動信号D1がオン時(すなわち、第1スイッチ素子16がオフ、第2スイッチ素子18がオン)では、コンデンサ14が電池モジュール102aの出力端子に接続される。したがって、出力端子には電池モジュール102aから電圧が出力される。この状態では、図3(b)に示すように、電池モジュール102aにおけるコンデンサ14を介して電圧Vmodが出力端子に出力されている。
図1に戻り、制御コントローラ104による電源装置100の制御について説明する。制御コントローラ104は、電池モジュール102の全体を制御する。すなわち、複数の電池モジュール102a,102b,・・・102nを制御して電源装置100としての出力電圧を制御する。
制御コントローラ104の信号生成回路104aは、各電池モジュール102に対して矩形波のゲート駆動信号を出力する。ゲート駆動信号は、電池モジュール102aに含まれるゲート駆動信号処理回路20、電池モジュール102bに含まれるゲート駆動信号処理回路20・・・と順次後段の電池モジュール102へと伝達される。すなわち、電源装置100において直列に接続されている電池モジュール102の最上流側から順に所定の遅延時間ずつゲート駆動信号が遅延されて下流側へと伝達される。
通常制御時においては、AND素子22に対してハイ(H)レベルの制御信号が入力され、OR素子24に対してロー(L)レベルの制御信号が入力されているので、各電池モジュール102のゲート駆動信号処理回路20から出力されたゲート駆動信号がそのまま第2スイッチ素子18のゲート端子に入力され、ゲート駆動信号を反転した信号が第1スイッチ素子16のゲート端子に入力される。したがって、ゲート駆動信号がハイ(H)レベルのときに第1スイッチ素子16がオフ状態及び第2スイッチ素子18がオン状態となり、ゲート駆動信号がロー(L)レベルのときに第1スイッチ素子16がオン状態及び第2スイッチ素子18がオフ状態となる。
すなわち、ゲート駆動信号がハイ(H)レベルのときに電池モジュール102は他の電池モジュール102と直列に接続された状態となり、ゲート駆動信号がロー(L)レベルのときに電池モジュール102は他の電池モジュール102と切り離されたスルー状態となる。
図4は、電池モジュール102a,102b,・・・102nのうち所定の個数を順次直列に接続して電力を出力する制御シーケンスを示す。図4に示すように、ゲート駆動信号に応じて、電池モジュール102a,102b,・・・102nが、一定の遅延時間を持って上流側から下流側に次々と駆動される。図4において、期間E1は、電池モジュール102a,102b,・・・102nの第1スイッチ素子16がオフ、第2スイッチ素子18がオンして、電池モジュール102a,102b,・・・102nが出力端子から電圧を出力している状態(接続状態)を示している。また、期間E2は、電池モジュール102a,102b,・・・102nの第1スイッチ素子16がオン、第2スイッチ素子18がオフして、電池モジュール102a,102b,・・・102nが出力端子から電圧を出力していない状態(スルー状態)を示す。このように、電池モジュール102a,102b,・・・102nは、一定の遅延時間を持って順次駆動される。
図4を参照して、ゲート駆動信号や遅延時間の設定について説明する。ゲート駆動信号の周期Tは、電池モジュール102a,102b,・・・102nの遅延時間を合計することによって設定される。このため、遅延時間を長くするほどゲート駆動信号の周波数は低周波となる。逆に、遅延時間を短くするほどゲート駆動信号の周波数は高周波となる。また、ゲート駆動信号を遅延する遅延時間は、電源装置100に求められる仕様に応じて適宜設定すればよい。
ゲート駆動信号の周期Tにおけるオン時比率D(オンデューティ)、すなわち、周期Tに対するゲート駆動信号がハイ(H)レベルにある時間TONの比率は、電源装置100の出力電圧/電池モジュール102a,102b,・・・102nの合計電圧(電池モジュール102の電池電圧×電池モジュール数)により算出される。すなわち、オン時比率D=(電源装置100の出力電圧)/(電池モジュール102の電池電圧×電池モジュール102の総数)となる。なお、厳密には、デッドタイムdtだけオン時比率がずれてしまうので、チョッパ回路で一般的に行われているようにフィードバックまたはフィードフォワードでオン時比率の補正を行うことが好適である。
電源装置100の出力電圧は、上述したように、電池モジュール102の電池電圧に接続状態にある電池モジュール102の数を乗算した値によって表される。電源装置100の出力電圧が、一つの電池モジュール102の電池電圧で割り切れる値であれば、電池モジュール102がスルー状態から接続状態に切り替わる瞬間に、他の電池モジュール102が接続状態からスルー状態に切り替わるので、電池モジュール102の全体の出力電圧に変動はない。
しかし、電源装置100の出力電圧が各電池モジュール102の電池電圧で割り切れない値であれば、電源装置100の出力電圧(全体の出力電圧)が変動する。ただし、このときの変動振幅は1つの電池モジュール分の電圧であり、また、この変動周期は、ゲート駆動信号の周期T/電池モジュール102の総数となる。電池モジュール102の総数を多くすることによって、電源装置100全体の寄生インダクタンスを大きな値とすることができ、この電圧変動はフィルタされて電源装置100の出力電圧を安定化させることができる。
次に、具体例について説明する。図4において、例えば、電源装置100としての所望の出力電圧が400V、各電池モジュール102の電池電圧が15V、電池モジュール102a,102b,・・・102n数が40個、遅延時間が200nsであるとする。なお、この場合は、電源装置100の出力電圧(400V)が、電池モジュール102の電池電圧(15V)で割り切れない場合に相当する。
これらの数値に基づくと、ゲート駆動信号の周期Tは、遅延時間×電池モジュール総数により算出されるので200ns×40個=8μsとなる。したがって、ゲート駆動信号は125kHz相当の周波数の矩形波とされる。また、ゲート駆動信号のオン時比率Dは、電源装置100の出力電圧/(電池モジュール102の電池電圧×電池モジュール102の総数)により算出されるので、オン時比率Dは、400V/(15V×40個)≒0.67となる。
これらの数値に基づいて、電池モジュール102a,102b,・・・102nを順次駆動すると、電源装置100として、図4中、矩形波状の出力電圧H1が得られる。この出力電圧H1は、390Vと405Vとの間で変動する。すなわち、出力電圧H1は、ゲート駆動信号の周期T/電池モジュール総数により算出される周期、すなわち8μs/40個=200ns(5MHz相当)で変動する。この変動は、電池モジュール102a,102b,・・・102nの配線による寄生インダクタンスでフィルタリングされ、電源装置100全体としては約400Vの出力電圧H2として出力される。
なお、各電池モジュール102のコンデンサ14には、接続状態の場合に電流が流れ、図4に示すように、コンデンサ電流波形J1は矩形波になる。また、電池10とコンデンサ14はRLCフィルタを形成しているので、電源装置100にはフィルタリングされて平準化された電流J2が流れる。このように、全ての電池モジュール102a,102b,・・・102nにおいて電流波形は一様であり、また、全ての電池モジュール102a,102b,・・・102nから均等に電流を出力することができる。
以上説明したように、電源装置100を制御する際、最上流側の電池モジュール102aに出力したゲート駆動信号を、下流側の電池モジュール102bに一定時間遅延して出力して、さらに、このゲート駆動信号を一定時間遅延して下流側の電池モジュール102に順次伝達するので、電池モジュール102a,102b,・・・102nは、一定時間遅延しながら順次電圧をそれぞれ出力する。そして、これらの電圧が合計されることによって、電源装置100としての電圧が出力される。これにより、電源装置100から所望の電圧を出力させることができる。
電源装置100によれば、昇圧回路が不要になり、電源回路の構成を簡素化することができる。また、電源装置100を、小型化、低コスト化することができる。また、電力損失を生ずるバランス回路等も不要であり、電源装置100の効率を向上させることができる。さらに、複数の電池モジュール102a,102b,・・・102nから略均等に電圧を出力しているので、特定の電池モジュール102に駆動が集中することもなく、電源装置100の内部抵抗損失を低減することができる。
また、オン時比率Dを調整することによって、所望の電圧に容易に対応することができ、電源装置100としての汎用性を向上することができる。特に、電池モジュール102a,102b,・・・102nに故障が発生して、使用困難な電池モジュール102が発生した場合でも、その故障した電池モジュール102を除外して、正常な電池モジュール102を使用して、ゲート駆動信号の周期T、オン時比率D、遅延時間を再設定することによって、所望の電圧を得ることができる。すなわち、電池モジュール102a,102b,・・・102nに故障が発生しても所望の電圧の出力を継続することができる。
さらに、ゲート駆動信号を遅延する遅延時間を長く設定することによって、ゲート駆動信号の周波数が低周波になるので、第1スイッチ素子16及び第2スイッチ素子18のスイッチング周波数も低くなり、スイッチング損失を低減することができ、電力変換効率を向上することができる。逆に、ゲート駆動信号を遅延する遅延時間を短くすることによって、ゲート駆動信号の周波数が高周波になるので、電圧変動の周波数が高くなり、フィルタリングが容易になって、安定した電圧を得ることができる。また、電流変動をRLCフィルタによって平準化することも容易になる。このように、ゲート駆動信号を遅延する遅延時間を調整することによって、求められる仕様、性能に応じた電源装置100を提供することができる。
なお、本実施の形態では、各電池モジュール102にゲート駆動信号処理回路20を設けてゲート駆動信号を遅延させつつ伝送させる構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、各電池モジュール102にゲート駆動信号処理回路20を設けない構成としてもよい。この場合、制御コントローラ104から各電池モジュール102のAND素子22及びOR素子24に対してゲート駆動信号を個別に出力すればよい。すなわち、制御コントローラ104から電池モジュール102a,102b,・・・102nに対してゲート駆動信号を一定時間毎にそれぞれ出力する。このとき、電池モジュール102a,102b,・・・102nに対して、電池モジュール102a,102b,・・・102nの配置位置にとらわれず、任意の順序で電池モジュール102a,102b,・・・102nを一定時間毎にゲート駆動信号を出力して接続状態とする電池モジュール102の数を制御する。例えば、最初に、電池モジュール102bにゲート駆動信号を出力して電池モジュール102bを駆動させ、その一定時間後に、電池モジュール102aにゲート駆動信号を出力して電池モジュール102aを駆動させるように制御を行えばよい。
当該構成とすることによって、ゲート駆動信号処理回路20が不要となり、電源装置100の構成をさらに簡素化することができ、製造コストや消費電力を抑制することができる。
[強制切り離し制御]
次に、複数の電池モジュール102(102a,102b,・・・102n)のうち選択されたものを強制的に切り離す制御について説明する。制御コントローラ104は、強制的に切り離す対象とする電池モジュール102のゲート駆動信号処理回路20に対して強制切断信号を出力する。強制切断信号を受信したゲート駆動信号処理回路20は、自己の電池モジュール102に属するAND素子22に対してロー(L)レベルの制御信号を出力し、OR素子24に対してロー(L)レベルの制御信号を出力する。これによって、AND素子22からはロー(L)レベルが出力され、OR素子24を介して、第1スイッチ素子16のゲート端子にはNOT素子26によってハイ(H)レベルが入力され、第2スイッチ素子18のゲート端子にはロー(L)レベルが入力される。したがって、第1スイッチ素子16は常時オン状態となり、第2スイッチ素子18は常時オフ状態とされ、該当する電池モジュール102はゲート駆動信号の状態によらず強制的に切り離された状態(パススルー状態)となる。
このような強制切り離し制御は、電源装置100における電池モジュール102のSOCのアンバランスを抑制する制御や電池モジュール故障時の切り離しに利用することができる。図5は、SOCのバランス調整制御のフローチャートを示す。以下、図5を参照しつつ、力行時における電池モジュール102のSOCのアンバランスを抑制する制御や電池モジュール故障時の切り離しについて説明する。
ステップS10では、電源装置100に含まれるすべての電池モジュール102のSOCを推定する。制御コントローラ104の電池動作監視回路104cは、各電池モジュール102に設けられて電池モジュール102の出力電圧を検出して出力する電圧センサ30、電源装置100の出力電流を検出して出力する電流センサ32及び電源装置100の出力電圧を検出して出力する電圧センサ34からの出力を受信する。SOC制御値算出回路104bは、受信されたデータに基づいて各電池モジュール102のSOCを推定する処理を行う。SOC制御値算出回路104bは、推定された各電池モジュール102のSOCに基づいて電源装置100におけるSOCの目標値であるSOC制御目標値を設定する。SOCの推定処理及びSOC制御目標値の設定処理については後述する。
ステップS12では、各電池モジュール102のSOCを比較し、相対的にSOCが低い電池モジュール102を選択する。制御コントローラ104は、ステップS10にて推定された各電池モジュール102のSOCを比較し、すべての電池モジュール102の中から相対的にSOCが低い電池モジュール102を選択する。
例えば、SOC制御目標値以下のSOCである電池モジュール102を選択すればよい。また、電源装置100に含まれるすべての電池モジュール102の中から所定の数だけSOCが小さい順に電池モジュール102を選択するようにしてもよい。ただし、電池モジュール102の選択方法はこれらに限定されるものではなく、SOCのアンバランスを抑制するために効果的なものであればよい。
ステップS14では、電源装置100の電源出力が力行状態であるか回生状態であるかが判定される。制御コントローラ104は、電流センサ32で検出された電流の向きから電源装置100から負荷へ電力が供給されている力行状態か外部電源から電源装置100へ電力が入力されている回生状態かを判定する。力行状態であればステップS16に処理を移行させ、回生状態であれば処理を終了させる。
ステップS16では、電池モジュール102の強制的な切り離し処理が行われる。制御コントローラ104は、ステップS12にて選択された電池モジュール102のゲート駆動信号処理回路20に対して強制切断信号を出力する。強制切断信号を受信したゲート駆動信号処理回路20は、自己のAND素子22に対してロー(L)レベルの制御信号を出力し、OR素子24に対してロー(L)レベルの制御信号を出力する。これにより、選択された電池モジュール102は直列接続から強制的に切り離され、電源装置100の出力に寄与しなくなる。
以上の制御によって、電源装置100に含まれる電池モジュール102の中からSOCが相対的に低い電池モジュール102は電力消費量(単位時間当たりの放電電流積算量)が少なくなり、SOCのアンバランスを解消することができる。その結果、電源装置100に含まれる電池モジュール102のSOCをSOC制御目標値に近づけることができる。また、各電池モジュール102の充電エネルギーを効率良く使い切ることが可能となる。
また、力行状態でなく、回生状態のときにSOCのアンバランスを解消する制御を行うこともできる。この場合、SOCが相対的に高い電池モジュール102を強制的に切り離す制御を行い、SOCが相対的に低い電池モジュール102へ優先的に電力を回生させることでSOCのアンバランスを解消させる。
図6は、SOCのバランス調整制御のフローチャートを示す。以下、図6を参照しつつ、回生時における電池モジュール102のSOCのアンバランスを抑制する制御や電池モジュール故障時の切り離しについて説明する。
ステップS20では、電源装置100に含まれるすべての電池モジュール102のSOCを推定する。当該処理は、上記ステップS10と同様に行うことができる。
ステップS22では、各電池モジュール102のSOCを比較し、相対的にSOCが高い電池モジュール102を選択する。制御コントローラ104は、ステップS20にて推定された各電池モジュール102のSOCを比較し、すべての電池モジュール102の中から相対的にSOCが高い電池モジュール102を選択する。
例えば、SOC制御目標値以上のSOCである電池モジュール102を選択すればよい。また、電源装置100に含まれるすべての電池モジュール102の中から所定の数だけSOCが高い順に電池モジュール102を選択すればよい。ただし、電池モジュール102の選択方法はこれらに限定されるものではなく、SOCのアンバランスを抑制するために効果的なものであればよい。
ステップS24では、電源装置100の電源出力が力行状態であるか回生状態であるかが判定される。制御コントローラ104は、電流センサ32で検出された電流の向きから電源装置100から負荷へ電力が供給されている力行状態か外部電源から電源装置100へ電力が入力されている回生状態かを判定する。回生状態であればステップS26に処理を移行させ、力行状態であれば処理を終了させる。
ステップS26では、電池モジュール102の強制的な切り離し処理が行われる。制御コントローラ104は、ステップS22にて選択された電池モジュール102のゲート駆動信号処理回路20に対して強制切断信号を出力する。強制切断信号を受信したゲート駆動信号処理回路20は、自己のAND素子22に対してロー(L)レベルの制御信号を出力し、OR素子24に対してロー(L)レベルの制御信号を出力する。これにより、選択された電池モジュール102は直列接続から強制的に切り離され、電源装置100への回生電力が供給されなくなる。
以上の制御によって、電源装置100に含まれる電池モジュール102の中からSOCが相対的に高い電池モジュール102への電力供給(単位時間当たりの充電電流積算量)が少なくなり、SOCのアンバランスを解消することができる。その結果、電源装置100に含まれる電池モジュール102のSOCをSOC制御目標値に近づけることができる。また、電源装置100に含まれるすべての電池モジュール102に対してバランスよく充電することができる。さらに、充電容量の小さい電池モジュール102の過充電を防止することができる。
[SOC推定処理]
以下、電源装置100におけるSOC推定処理について説明する。図7は、本実施の形態におけるSOC推定処理のフローチャートを示す。
ステップS50では、電源装置100の出力電流Ioutを測定する。制御コントローラ104の電池動作監視回路104cは、電流センサ32によって測定された電源装置100の出力電流Ioutを取得する。
ステップS52では、各電池モジュール102のモジュール電流Imodを推定する処理を行う。電池動作監視回路104cは、現在直列接続されている電池モジュール102、すなわち現在出力に寄与している電池モジュール102の各々について電圧センサ30から出力電圧(モジュール電圧)Vmod[i]を取得する。ここで、iは、i番目の電池モジュール102を示す。制御コントローラ104のSOC制御値算出回路104bは、オンデューティDに基づいて、現在出力に寄与している電池モジュール102の各々からの電流(モジュール電流)Imodを算出する。
オンデューティDは、数式(1)により算出することができる。そして、モジュール電流Imodは、数式(2)により算出することができる。
Figure 0007328750000001
Figure 0007328750000002
なお、本実施の形態ではオンデューティDを用いてモジュール電流Imodを算出する処理を行ったが、各電池モジュール102に電流センサ32を設けて、モジュール電流Imodを直接測定する構成としてもよい。
ステップS54では、各電池モジュール102のSOCを算出する処理が行われる。制御コントローラ104は、ステップS52で得られたモジュール電流Imodに基づいて数式(3)を用いて各電池モジュール102のSOCを算出する。ただし、Q[i]はi番目の電池モジュール102の電池満充電容量、SOCini[i]は電流積算開始時点での初期SOC(電源装置100の起動時又はi番目の電池モジュール102を切り離した時の充放電電流が0の状態で測定された開放電圧を基に得られたSOCv)である。
Figure 0007328750000003
なお、電池モジュール102の開放電圧とSOCとの関係は、図10に示すような1対1の関係となる。すなわち、i番目の電池モジュール102の開放電圧を測定することで、当該開放電圧に基づいてSOCini[i]を求めることができる。
以下、電池モジュール102を切り離した時の開放電圧の測定方法について説明する。上記のように、通常制御時には、すべての電池モジュール102の強制切断信号をロー(L)レベルに設定するが、例えばオンデューティDが低い状況(負荷に接続する電池モジュール102の数が少なくてもよく、常時切り離された電池モジュール102があったとしても要求する出力電圧を出力可能な状況)において、特定の電池モジュール102に対する強制切断信号をハイ(H)レベルとする。これにより、当該特定の電池モジュール102は負荷から切り離された状態となる。
特定の電池モジュール102が負荷から切り離されると、当該電池モジュール102のモジュール電流Imodは0になる。したがって、制御コントローラ104は、当該電池モジュール102の電圧センサ30から開放電圧を取得することが可能となる。これにより、制御コントローラ104は、図8の開放電圧とSOCの関係に基づいて取得された開放電圧に対応するSOCを求めることができる。
なお、開放電圧の測定は、電池モジュール102を負荷から切り離した後に端子電圧が安定する所定時間後に測定するか、又は従来技術のように充放電を停止した後の電圧挙動モデルを用いて電圧が安定する前の電圧から開放電圧を推定してもよい。
このように、負荷に対して電力を供給している状態においても電池モジュール102を負荷から切り離すことで開放電圧を測定することができる。したがって、測定された開放電圧を用いて特定の電池モジュール102のSOCを求め、数式(3)のSOCini[i]を置き換えることができる。なお、このとき、数式(3)の電流積算についても0にリセットすることが好適である。
数式(3)を用いたモジュール電流の積算値に基づくSOCの推定では、電流センサ32の測定誤差の影響等により積算値において誤差が蓄積される傾向があるが、開放電圧に基づいて初期値であるSOCini[i]を適宜更新することによって誤差の影響を抑制でき、SOCの推定精度を向上させることができる。
[強制切断される電池モジュールの数の設定処理]
本実施の形態では、上記強制切り離し制御において電源装置100の出力電圧を確保し、出力電力の制御が破綻しないように切り離される電池モジュール102の数を制限する。
電源装置100の出力電圧値(出力目標電圧値)をVout、電源装置100に含まれる電池モジュール102の総数をNmod、電池モジュール102の平均出力電圧値(モジュール電圧値)をVmodとすると、強制的に切り離しが可能な電池モジュール102の個数Npassとの関係は数式(4)で表される。
Figure 0007328750000004
数式(4)を変形すると数式(5)が得られる。
Figure 0007328750000005
したがって、制御コントローラ104は、強制的に切り離しが可能な電池モジュール102の個数Npassが数式(5)を可能な限り満たすように電池モジュール102の切り離し制御を行う。
なお、数式(5)の条件を超えるような個数の電池モジュール102を強制的に切り離す必要がある場合、制御コントローラ104は電源装置100をシャットダウンさせる。例えば、多数の電池モジュール102が同時に故障した場合や電源装置100を構成する回路部品が故障した場合等において数式(5)の条件を満たすことができなくなった場合に電源装置100をシャットダウンさせる。
10 電池、12 チョークコイル、14 コンデンサ、16 第1スイッチ素子、18 第2スイッチ素子、20 ゲート駆動信号処理回路、22 AND素子、24 OR素子、26 NOT素子、30 電圧センサ、32 電流センサ、34 電圧センサ、100 電源装置、102 電池モジュール、104 制御コントローラ、104a 信号生成回路、104b SOC制御値算出回路、104c 電池動作監視回路。

Claims (2)

  1. 二次電池を有する電池モジュールを複数含み、制御コントローラからのゲート駆動信号に応じて前記電池モジュールに含まれる前記二次電池が相互に直列接続される電源装置であって、
    前記ゲート駆動信号に関わらず前記電池モジュールを前記直列接続から強制的に切り離す切断手段を備え、
    出力目標電圧値Voutに応じて前記切断手段によって強制的に切り離される前記電池モジュールの個数Npass、前記出力目標電圧値Voutを出力可能である最大限の個数に限定することなく、前記電池モジュールの総数Nmodから前記出力目標電圧値Vout/前記電池モジュールの平均出力電圧値Vmodを減算した個数未満に制限することを特徴とする電源装置。
  2. 請求項1に記載の電源装置であって、
    前記切断手段によって強制的に切り離される前記電池モジュールの個数に応じて、前記出力目標電圧値以上の出力電圧を出力できない場合に出力を停止させることを特徴とする電源装置。
JP2018204649A 2018-10-31 2018-10-31 電源装置 Active JP7328750B2 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018204649A JP7328750B2 (ja) 2018-10-31 2018-10-31 電源装置
US16/655,021 US11476688B2 (en) 2018-10-31 2019-10-16 Power supply device having sequentially connected battery modules
KR1020190128943A KR102318121B1 (ko) 2018-10-31 2019-10-17 전원 장치
EP19203796.8A EP3648289B1 (en) 2018-10-31 2019-10-17 Power supply device
CN201911003108.5A CN111130165B (zh) 2018-10-31 2019-10-22 电源装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018204649A JP7328750B2 (ja) 2018-10-31 2018-10-31 電源装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2020072548A JP2020072548A (ja) 2020-05-07
JP7328750B2 true JP7328750B2 (ja) 2023-08-17

Family

ID=68281298

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018204649A Active JP7328750B2 (ja) 2018-10-31 2018-10-31 電源装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11476688B2 (ja)
EP (1) EP3648289B1 (ja)
JP (1) JP7328750B2 (ja)
KR (1) KR102318121B1 (ja)
CN (1) CN111130165B (ja)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7395532B2 (ja) * 2021-03-15 2023-12-11 矢崎総業株式会社 蓄電池制御装置、蓄電システム、及び蓄電池制御方法
JP2023006283A (ja) * 2021-06-30 2023-01-18 株式会社小松製作所 電源装置
CN113629987A (zh) * 2021-08-03 2021-11-09 深圳市康佳壹视界商业显示有限公司 Led屏电气控制系统
CN113794469B (zh) * 2021-09-03 2023-09-22 中国科学院电工研究所 一种倍频栅极驱动电路及其倍频控制方法
JP7498737B2 (ja) 2022-03-11 2024-06-12 株式会社豊田中央研究所 電源システム

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018145150A1 (en) 2017-02-08 2018-08-16 Relectrify Pty Ltd Battery system
WO2018179774A1 (ja) 2017-03-31 2018-10-04 株式会社豊田中央研究所 電源装置

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004015924A (ja) * 2002-06-07 2004-01-15 Nissan Motor Co Ltd 組電池制御装置および制御システム
US7734317B2 (en) * 2003-03-18 2010-06-08 Qualcomm Incorporated Battery management
CN101416330A (zh) * 2003-10-14 2009-04-22 布莱克和戴克公司 二次电池的保护方法、保护电路和保护器件、电动工具、充电器和适合在电池组中提供保护以防故障状况的电池组
CN101409457B (zh) * 2007-10-08 2010-12-01 凹凸科技(中国)有限公司 充电电池组均衡电路及方法
US8288992B2 (en) * 2009-01-14 2012-10-16 Indy Power Systems, Llc Cell management system
US8866444B2 (en) * 2010-06-08 2014-10-21 Tesla Motors, Inc. Methodology for charging batteries safely
CN101980444A (zh) * 2010-08-05 2011-02-23 上海闻泰电子科技有限公司 让电池供电的系统在不拆除电池的情况下强制复位的电路
JP2013055842A (ja) * 2011-09-06 2013-03-21 Nec Corp 電池システム
CN103187744A (zh) * 2011-12-30 2013-07-03 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司 电源装置
CN102545758B (zh) * 2012-01-16 2015-04-22 北京启明精华新技术有限公司 汽车电源控制器
CN202602323U (zh) * 2012-04-27 2012-12-12 英利能源(中国)有限公司 一种光伏电池离网分层均衡充电系统
KR102028923B1 (ko) * 2013-04-11 2019-10-08 에스케이이노베이션 주식회사 배터리 밸런싱 장치 및 방법
CN204068217U (zh) * 2014-09-10 2014-12-31 安徽朗越环境工程有限公司 一种电池组均衡保护系统
CN204334058U (zh) * 2015-01-07 2015-05-13 严怀军 一种串联锂电池组的均衡装置
CN104901371A (zh) * 2015-06-01 2015-09-09 深圳市科列技术股份有限公司 一种用于电池管理系统均衡器的功率切换开关
JP6531745B2 (ja) * 2016-10-27 2019-06-19 株式会社豊田中央研究所 電源装置及び電源装置の制御方法
CN106786971B (zh) 2017-01-20 2019-04-16 厦门大学 基于半桥串联的锂电池管理系统及其控制策略
CN207200372U (zh) * 2017-08-17 2018-04-06 华通信安(北京)科技发展有限公司 一种电源管理系统
CN207382007U (zh) * 2017-09-26 2018-05-18 彭明 一种新型大电流可充电锂电池保护板电路

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018145150A1 (en) 2017-02-08 2018-08-16 Relectrify Pty Ltd Battery system
WO2018179774A1 (ja) 2017-03-31 2018-10-04 株式会社豊田中央研究所 電源装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP3648289A1 (en) 2020-05-06
KR102318121B1 (ko) 2021-10-28
CN111130165B (zh) 2023-07-21
KR20200049542A (ko) 2020-05-08
JP2020072548A (ja) 2020-05-07
EP3648289B1 (en) 2021-02-17
US20200136413A1 (en) 2020-04-30
CN111130165A (zh) 2020-05-08
US11476688B2 (en) 2022-10-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7056005B2 (ja) 電源装置
JP7328750B2 (ja) 電源装置
JP6898904B2 (ja) 電源装置
JP6867987B2 (ja) 電源装置の満充電容量推定装置
JP7077204B2 (ja) 電源装置
JP2020072549A (ja) 電源装置
JP6922337B2 (ja) 電源装置及びそれにおけるsoc推定方法
JP7318227B2 (ja) 電源装置
JP7141308B2 (ja) 電源装置
US20230291212A1 (en) Power supply system

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200714

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20210628

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210727

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210924

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20211221

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220216

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20220628

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220815

C60 Trial request (containing other claim documents, opposition documents)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C60

Effective date: 20220815

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20220823

C21 Notice of transfer of a case for reconsideration by examiners before appeal proceedings

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C21

Effective date: 20220830

A912 Re-examination (zenchi) completed and case transferred to appeal board

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912

Effective date: 20221007

C211 Notice of termination of reconsideration by examiners before appeal proceedings

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C211

Effective date: 20221018

C22 Notice of designation (change) of administrative judge

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C22

Effective date: 20230328

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20230804

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7328750

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150